引力的故事：GRAVITATION從亞里士多德到愛因斯坦

謝懿

升上去的必定會掉下來。但其背后的原因讓人類最偉大的頭腦苦思冥想了好幾個世紀(jì)，至今，引力的許多方面仍是個謎。

宇宙中有4種基本作用力：強核力、弱核力、電磁力和引力。在它們中，引力最為明顯，但也是最難破解的謎題。

古希臘人認(rèn)為，引力是元素的特性。亞里士多德描述了土和水具有引力的原因，它們會傾向于朝宇宙的中心（地球）運動，即下落。他認(rèn)為，由于空氣和火較輕，于是它們會朝遠(yuǎn)離中心的方向運動，即上升。但是這些趨勢只存在于不完美的月下世界。在古希臘的世界觀中，月亮之上的一切都屈從第五元素——精質(zhì)，它可以讓天體不受干擾地旋轉(zhuǎn)。

要理解亞里士多德的觀點，我們需要忘記所有在高中學(xué)的物理。引力不是一種力，只是描述土和水的基本性質(zhì)。就像追逐貓是狗的天性一樣，朝向宇宙中心運動也是土和水的“天性”。雖然對引力的認(rèn)識不斷深入，但在2000年的時間里很少有人真正向亞里士多德的理論發(fā)起過挑戰(zhàn)。

腳踏實地

公元7世紀(jì)的印度數(shù)學(xué)家婆羅摩笈多和公元10世紀(jì)的伊斯蘭學(xué)者阿爾伯魯尼則認(rèn)為，引力的機理類似于磁鐵，但這都不足以撼動亞里士多德的“霸主”地位。它的第一個危機來自哥白尼和伽利略所引發(fā)的對太陽系認(rèn)識的變革。如果他們是正確的——太陽是宇宙的中心，地球繞太陽轉(zhuǎn)動，亞里士多德的引力理論就會土崩瓦解。基于推理而不是觀測和實驗，亞里士多德的觀點需要把地球置于宇宙的中心。如果太陽取而代之成為中心，所有的重物都會因此飛進(jìn)太空。

更重要的是，亞里士多德的引力理論會使得重物下落得比光還快。由于包含更多的物質(zhì)，因此重物會具有更強的趨勢朝向宇宙中心運動，因此運動的速度會更快。亞里士多德認(rèn)為這是事實，但伽利略并不同意這一觀點。他提出了一個問題，如果你把兩個不同重量的物體用繩子綁在一起會發(fā)生什么？根據(jù)亞里士多德的觀點，較重的物體下降的速度較快，其下落的速度會超過較輕的物體；因為繩子的拉力，較輕的物體會使得較重的物體減速，最終它們整體的下落速度會介于兩者之間。然而，作為一個整體，其總重量要超過構(gòu)成它的任何一個物體，因此也會下落得更快。這兩個結(jié)論完全相互矛盾。

雖然伽利略幾乎可以肯定沒有如傳說的那樣在比薩斜塔上通過自由落體實驗發(fā)現(xiàn)物體會同時落地，但他確實用由軟木和鉛所做的擺錘做過單擺實驗。他認(rèn)為，鉛的重量超過軟木錘100多倍。伽利略的實驗顯示，它們擺動的速率相同，因此受引力作用下落的速度也相同。他還在斜面上通過滾落球體來測量引力的效應(yīng)。伽利略明確地指出是“吸引力”讓物體落向地球。

把引力納入科學(xué)和數(shù)學(xué)框架之下的是牛頓。目前還不清楚他是否真的是因為看到

蘋果下落而受到啟發(fā)，但他自己是這么說的。1726年4月，在與考古學(xué)家威廉· 斯蒂克利（William Stukeley）的長談中，牛頓說是一個蘋果的下落讓他思考為什么蘋果總是垂直落地。

根據(jù)斯蒂克利的說法，牛頓認(rèn)為蘋果是被地球的“吸力”所牽引的，而這一作用力必定正比于質(zhì)量。蘋果會吸引地球，地球也會吸引蘋果。但還不止于此，牛頓提出了“萬有引力”的概念，這是一次飛躍。他打破了亞里士多德的月球屏障，讓這個相同的作用力存在于整個宇宙。他意識到是引力在維持行星沿軌道繞行，否則它們就會沿一條直線飛出去。

所有這一切以及其他的內(nèi)容都一同寫進(jìn)了牛頓的杰作《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》中。這本書通常也簡稱為《原理》，用拉丁文寫成，不容易閱讀，還使用了遠(yuǎn)超一般水平的幾何知識。它對引力的關(guān)鍵認(rèn)識可以概括成一句話：引力的強度正比于物體的質(zhì)量，反比于物體間距離的平方。對牛頓而言，他的引力定律和運動定律足以用來描述行星和衛(wèi)星的運動以及物體的下落。毫無疑問，這是一個偉大的勝利。

不過，牛頓也留下了一個空缺——引力在遙遠(yuǎn)的距離上是如何作用的？他在《原理》中寫道：“我對此沒有任何假說?！迸ｎD暗示，他的競爭對手會就此挑事。不過，這一解釋上的空缺仍使得牛頓受到了攻擊，特別是對他“吸引力”一詞的使用。今天，我們會很自然地用“吸引力”來稱呼或者描述引力，但這在當(dāng)時僅僅是出于浪漫上的意義。對17世紀(jì)的人來說，“吸引力”聽上去就好像地球是因為某種曖昧而圍繞太陽轉(zhuǎn)動的。

牛頓的工作并不孤立。例如，他偉大的競爭對手羅伯特·胡克（Robert Hooke）曾提出，引力呈“平方反比定律”，會隨著距離平方而減弱，但胡克一直無法成功地運用數(shù)學(xué)來支持他的觀點，是牛頓建立起了整個恢宏的體系。

解釋引力

對于引力是如何作用的，牛頓確實有一些自己的想法。和許多人一樣，他懷疑空間中充滿一種不可見的物質(zhì)，它們可以傳遞引力。隨著時間的變遷， 這一引力的力學(xué)模型變得日益復(fù)雜。最為流行的是由瑞士物理學(xué)家尼古拉· 法蒂奧·德迪（Nicolas Fatio deDuillier）和喬治-路易·勒薩熱（George-Louis Le Sage）各自獨立提出的觀點，認(rèn)為空間中充滿了不可見的微小粒子，它們會從四面八方不斷地撞擊物體。當(dāng)有東西出現(xiàn)在地球的運動軌跡上時，地球會遮擋從它所在的方向飛來的粒子，其余

粒子會把這個物體推向地球。

這聽上去實在太不可思議了。但直到愛因斯坦出現(xiàn)，人類才對引力有了更好的認(rèn)識。在1905年后，他對引力有了突 破性的想法，寫了3篇改變物理學(xué)的論文。在這些論文中，他佐證了原子的存在、奠定了量子理論的基礎(chǔ)（為他贏得了諾貝爾獎）并提出了狹義相對論。在狹義相對論中，看似固定的物理量，例如質(zhì)量、長度和時間，都

會隨著你的視角改變而發(fā)生變化。

兩年后，愛因斯坦坐在瑞士伯爾尼的專利局里，有了他自己所說的最快樂的想法。愛因斯坦后來說：“突然之間，我產(chǎn)生了一個念頭，如果一個人自由下落，他不會感覺到自己的體重。我吃了一驚。這個簡單的想法給我留下了深刻的印象。它促使我去追尋一個有關(guān)引力的理論?！?/p>

引力和光

愛因斯坦所意識到的是，引力和加速度是等效的，并沒有什么區(qū)別。例如，如果你在一艘沒有窗戶的飛船中發(fā)現(xiàn)自己受到了能產(chǎn)生9.8米/ 秒2加速度的拉力，那么有兩種可能的解釋：你可能仍靜止在地球的表面，或者你的飛船正在以9.8米/ 秒2的加速度飛行。你的儀器無法區(qū)分這兩者的差異。但是，如果真是這樣，那它將會告訴我們一些有關(guān)引力的奇怪性質(zhì)。

如果我們想象一束光穿過了正在加速的飛船，這光束會由于飛船在運動而看上去朝某個方向彎曲。但由于加速度和引力是等價的，那么在引力場中同樣的光束也會發(fā)生彎曲。愛因斯坦意識到引力會彎曲空間。一個大質(zhì)量天體附近扭曲的空間會使得本該沿直線運動的任何東西都改走曲線。行星的軌道如此，光也是如此。事實上，他的發(fā)現(xiàn)其實比這還要詭異。雖然彎曲的空間可以解釋行星的軌道，但它并沒有告訴我們?yōu)槭裁刺O果會下落。對物體而言沒有理由會開始運動。這其實是大質(zhì)量的物體彎曲了周圍的時空，進(jìn)而使得物體開始運動。時空這一概念源于狹義相對論，將時間和空間視為一個整體。用來描述這一切的數(shù)學(xué)極為復(fù)雜，即便是愛因斯坦也不得不尋求幫

助，但原理很簡單。

愛因斯坦為牛頓的理論建立了一個框架，使之可以奏效。更重要的是，愛因斯坦所提出的這個理論，即廣義相對論，做出了一些有別于牛頓理論的預(yù)言，而實驗則已經(jīng)證明廣義相對論與現(xiàn)實相符。

從許多方面來看，有關(guān)引力的理論似乎已經(jīng)完整了。愛因斯坦的理論能被用來預(yù)言一切，從黑洞的存在到宇宙隨時間的演化。但在我們的認(rèn)識中仍有一片巨大的空白。除了引力之外，自然界其他所有的作用力都可以被量子化。這意味著，它們并非是連續(xù)的，具有最小的單元，被稱為量子。由此，也應(yīng)該存在一個引力的量子理論，但至今還沒有建立起這樣一個理論。有一段時間，弦理論看上去似乎可以為此提供答案，但有越來越多的科學(xué)家擔(dān)心，這個完全由數(shù)學(xué)所驅(qū)動的概念永遠(yuǎn)也無法做出有用的預(yù)言，而其他的理論——例如圈量子引力理論——則日益興盛。

引力和我們

我們對引力的現(xiàn)代認(rèn)知表明，它的重要性遠(yuǎn)超古人的預(yù)計。引力不僅讓物體留在地面上，也使得旋轉(zhuǎn)的氣體和塵埃云坍縮成了太陽系。是引力和量子效應(yīng)一起使得太陽核心發(fā)生核聚變，產(chǎn)生光和熱，進(jìn)而賦予了我們生命。

在太空中進(jìn)行的實驗甚至表明，對生命而言，引力是必不可少的東西。沒有引力，植物的根系很難生長。在國際空間站上的一個實驗已經(jīng)證明，鳥類的蛋需要在有引力的環(huán)境中才會發(fā)育。在低重力環(huán)境下，人的骨質(zhì)和肌肉都會流失，肺部則會遭受因其他器官上移而導(dǎo)致的壓迫，整個人的健康狀況會由此出現(xiàn)惡化。

引力仍然留守著一些不為我們所知的秘密。例如，我們不知道，為什么它會比其他的作用力弱得多。如果你懷疑這一點，可以試著用電磁力和它進(jìn)行比較：一塊小小的磁鐵就能戰(zhàn)勝整個地球所產(chǎn)生的引力，吸起一枚回形針。我們也還不知道如何把引力納入量子力學(xué)的框架。但得益于牛頓和愛因斯坦的工作，這一基本作用力已不再完全是一個謎。

延伸閱讀

關(guān)鍵實驗

1915年，愛因斯坦發(fā)表廣義相對論時引起了轟動，但直到4年后才第一次觀測到了它的實際效應(yīng)。

廣義相對論的預(yù)言在很大程度上與牛頓的理論相同，但最明顯的區(qū)別在于引力對光路徑的彎曲程度。當(dāng)光從太陽表面附近經(jīng)過時，根據(jù)廣義相對論，其路徑會向內(nèi)彎曲，使得恒星的視位置發(fā)生偏移。這一現(xiàn)象只有在太陽光被完全遮擋住的時候才能被看見。

1919年，阿瑟·愛丁頓率領(lǐng)一支遠(yuǎn)征隊前往西非的普林西比島，以便在5月29日發(fā)生的日全食期間對這一效應(yīng)進(jìn)行測量。那天早晨天空布滿了厚厚的云層，還下起了雨，一直持續(xù)到中午。日全食從14時13分左右開始，希望似乎很渺茫。愛丁頓回憶說：“我們必須對拍攝照片充滿信念。我并沒有觀看這次日食，因為忙著更換底片，除了瞟了一眼確保日食已經(jīng)開始，另外又在中途看了一眼天空中有多少云。我們拍攝了16 張照片?！钡芏鄨D像上沒有清晰地顯示出恒星，最后只有兩張可以用的底片。然而，愛丁頓使用另一支前往巴西索布拉爾的遠(yuǎn)征隊所提供的更多信息，證實了廣義相對論的預(yù)言，讓愛因斯坦聲名鵲起。

諷刺的是， 后續(xù)的研究顯示，愛丁頓使用的數(shù)據(jù)可能并不具有足夠的測量精度來證明廣義相對論。不過自那以后，有大量的數(shù)據(jù)可以堅如磐石地證明愛因斯坦的預(yù)言。

關(guān)鍵角色

在塑造我們對引力的認(rèn)識的過程中，有5個偉大的人物。

亞里士多德（公元前384年—公元前322年）

古希臘哲學(xué)家， 他建立了科學(xué)的基本要素。但遺憾的是，他的理論——基于推理，而非觀測——幾乎完全是誤導(dǎo)。亞里士多德認(rèn)為，引力是重物尋求前往宇宙中心的一種傾向。

伽利略（1564年—1642年）

這位來自意大利比薩的自然哲學(xué)家相信實驗的重要性，并以此推翻了亞里士多德關(guān)于引力的觀點。雖然因試圖推動哥白尼的太陽系模型而聞名，但伽利略的最大貢獻(xiàn)在于他對力學(xué)和運動以及引力效應(yīng)的系統(tǒng)研究。

牛頓（1643年—1727年）

英國最偉大的物理學(xué)家。他有許多研究是在林肯郡的家中躲避瘟疫時所做的，但他有關(guān)光、運動、引力和微積分的大部分工作都是在劍橋大學(xué)完成的。他后來成了議員、造幣廠主管和英國皇家學(xué)會的會長，不過物理學(xué)仍然是他最重要的成就。

愛因斯坦（1879年—1955年）

愛因斯坦出生在德國烏爾姆， 從十幾歲時起成為瑞士公民。1905年，還在專利局工作的他完成了3 篇論文，證明原子真實存在，奠定了量子理論的基礎(chǔ)并建立了狹義相對論。他于1915 年提出的廣義相對論依然是目前有關(guān)引力的標(biāo)準(zhǔn)理論。

阿瑟·愛丁頓（1882年—1944年）

愛丁頓出生于英國肯德爾，是劍橋大學(xué)的天文學(xué)家和天體物理學(xué)家。據(jù)說當(dāng)被問及世界上是否真的只有3個人懂廣義相對論時，愛丁 頓反問：“第三個人是誰？”

時間線

在探索引力本質(zhì)的道路上，有6個重要的環(huán)節(jié)。

公元前350年

亞里士多德在其著作《自然哲學(xué)》中描述了他對自然現(xiàn)象和物體運動的理論，這其中就包含了引力。

1638年

在他的最后一本書《論兩種新科學(xué)及其數(shù)學(xué)演化》中，伽利略描述了他對引力的看法。

1687年

牛頓的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》出版，其中闡述了他的引力理論以及著名的運動定律。

1907年

坐在瑞士伯爾尼專利局的辦公室里，愛因斯坦發(fā)現(xiàn)了“等效原理”，指出引力和加速度無法被區(qū)分。

1915年

愛因斯坦發(fā)表了一系列關(guān)于廣義相對論的論文，將引力描述成大質(zhì)量物體所造成的時空彎曲。

1919年

愛丁頓在普林西比島上日全食期間發(fā)現(xiàn)太陽附近恒星的位置存在偏移，由此證實了廣義相對論。

知識要點

討論引力性質(zhì)時必需的幾個概念：

1.基本作用力

自然界有4種基本作用力：引力、電磁力、弱核力和強核力。它們可以解釋所有的相互作用。

2. 平方反比定律

它描述了引力強度和物體間距離的關(guān)系。例如， 如果把兩個物體之間的距離擴大 倍，引力的大小就會減少到之前的1/4。

3. 質(zhì)量

由牛頓引入的、描述物質(zhì)多少的量。一個物體的質(zhì)量決定了它所產(chǎn)生的引力強弱，它不會隨著該物體的位置改變而發(fā)生變化。

4. 相對性

伽利略發(fā)現(xiàn)，運動是相對的。如果我們和另一個物體以相同的速度運動，那么我們相對于它是靜止的。在狹義相對論中，愛因斯坦拓展了這個想法，加入了光速不變效應(yīng)；而他的廣義相對論則把引力和加速度也納入其中。

檔案

編號：No.114

日期：2007年3月31日

地點：雷東多海灘，加利福尼亞，美國

持續(xù)時間：15秒

飛行物形狀：草帽形

飛行物顏色：銀白色

目擊人數(shù)：1人

備注：

目擊者說，當(dāng)時天氣很好，能見度近15千米。他看到這個銀白色的飛行物體徘徊在雷東多海灘碼頭，便順手拍了這張照片。目擊者表示，這個物體的運動速度與噴氣機速度相似，在空中盤旋了大約5秒后停了下來。他就在這個時候拍到了照片。約2秒后，該物體向南方飛去，消失在碼頭背后。